资源简介

5.3　核力与核反应方程
【学习目标】
1.通过任务1及其活动,知道原子核的组成,能构建原子核模型。(物理观念、科学思维)
2.通过任务2及其活动,知道各种核反应,会写核反应方程。(物理观念、科学思维)
3.通过任务3及其活动,知道核力及四种基本相互作用,能用核力特点定性解释原子核中质子数与中子数的关系。(物理观念)
4.通过任务4及其活动,知道结合能,能区分结合能与比结合能;知道质量亏损,掌握质量与能量的关系,能用质能方程计算核反应中释放的核能。(物理观念、科学思维)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:结合能是原子核具有的能量吗


思考2:钴核Co)放出一个β粒子后衰变成一个镍核Ni),并伴随产生了γ射线。已知钴核、β粒子、镍核的质量分别为m1、m2、m3,真空中的光速为c,该核反应中释放的能量为多少


正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)核力是强相互作用,在任何情况下都比库仑力大。 (　　)
(2)弱相互作用是引起原子核β衰变的原因。 (　　)
(3)结合能越大,原子核越稳定。 (　　)
(4)一个氘核分解成质子和中子时需要吸收能量。 (　　)
(5)所有的核反应一定伴随着质量亏损,有核能放出。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　原子核的组成
　　卢瑟福通过α粒子散射实验,提出了原子的核式结构学说,指出了原子是由原子核和核外电子构成的,原子核是否也具有更复杂的结构呢 直到他发现质子,他的学生查德威克发现中子才验证了这一猜想。
1.卢瑟福的实验结论和卢瑟福的猜想是什么 查德威克证实了什么


2.你知道原子核的结构吗 原子核用什么符号表示


　　原子核的组成
(1)卢瑟福用α粒子轰击氮核时,发现了①　　　　;查德威克通过实验证实了原子核内存在中子。
(2)质子带正电荷,中子不带电,质子和中子的质量十分接近,统称为②　　　　,组成原子核。
(3)原子核的电荷数=③　　　　数=原子序数;原子核的质量数=核子数=质子数+中子数。
(4)符号X表示原子核,X表示元素符号;A表示④　　　　;Z表示核电荷数。
应用　原子核的核子数之间的关系
(多选)一个原子核为Bi,关于这个原子核,下列说法正确的是 (　　)
A.核外有83个电子,核内有127个质子
B.核外有83个电子,核内有83个质子
C.核内有83个质子,127个中子
D.核内有210个核子
(1)原子核中的两个整数
①质量数A:等于质子数和中子数之和,即核子数。
②电荷数Z:等于质子数。
(2)原子核中的两个等式
①核电荷数(Z)=质子数=元素的原子序数=核外电子数。
②质量数(A)=核子数=质子数+中子数。
任务2　核反应方程
　　前面我们学过衰变,知道一些衰变方程,我们可以通过核反应了解原子核的内部结构和粒子的本质及特点。阅读课本中“核反应”内容,思考下面的问题。
1.什么是核反应 核反应与衰变有何异同



2.书写核反应方程遵循什么原则



　　核反应
(1)原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应。在核反应中⑤　　　　守恒和⑥　　　　守恒。
(2)发现质子的核反应方程：He⑦　　　　,发现者:⑧　　　　。
应用1　核反应方程的书写
铂元素的同位素Pt由中国科学院上海原子核研究所制得,制取过程如下:
(1)用质子轰击铍靶Be产生快中子。
(2)用快中子轰击汞Hg,反应过程可能有三种:①生成Pt,放出氦原子核;②生成Pt,放出质子和中子;③生成的Pt发生两次衰变,变成稳定的原子核Hg。
写出上述核反应方程。
书写核反应方程需要注意什么



应用2　核反应中的动量问题
(多选)一个质子以1.4×107 m/s的速度撞入一个孤立的静止铝原子核后被俘获,铝原子核变为硅原子核。已知铝原子核的质量是质子的27倍,硅原子核的质量是质子的28倍。则下列判断正确的是 (　　)
A.核反应方程为AlHSi
B.核反应方程为AlHSin
C.硅原子核速度的数量级为107 m/s
D.硅原子核速度的数量级为105 m/s
质子被原子核俘获的过程遵循动量守恒定律吗



任务3　核力及四种基本相互作用
　　在原子核那样狭小的空间里,带正电的质子能够挤在一起而不飞散,这说明核子间除了电磁力,还存在其他相互作用。
1.科学家为什么会猜想原子核内核子之间会存在核力


2.核力有什么特点


3.自然界中有哪些基本相互作用


　　核力与四种基本相互作用
(1)核力是⑨　　　　的一种表现,在原子核的尺度内,核力比库仑力⑩　　　　。
(2)核力是短程力,作用范围在　　　　m之内。核力在0.5×10-15 m~2×10-15 m的距离内主要表现为　　　　力,而在距离小于0.5×10-15 m时表现为　　　　力,因此核子能克服库仑力束缚,而在核内又不至于融合在一起。
(3)原子核内还有弱相互作用,弱相互作用是引起原子核　　　　的原因。
(4)自然界中有四种基本相互作用,分别是　　　　、　　　　、强相互作用和弱相互作用。
应用　力的分类
物理学研究表明,自然界存在四种基本相互作用。关于我们学习过的重力、弹力,下列说法正确的是 (　　)
A.都属于万有引力相互作用
B.重力属于万有引力相互作用,弹力属于弱相互作用
C.重力属于强相互作用,弹力属于弱相互作用
D.重力属于万有引力相互作用,弹力属于电磁相互作用
任务4　结合能
　　相距很远的两个物体,由于万有引力而相互接近,运动速度越来越大,引力势能转化为动能,最后撞在一起,动能变成它们的内能散失掉了。两个物体为了结合而付出了代价——失去了一些能量,如果要把它们分开,还要重新赋予它们这份能量。原子核的形成过程与上述过程具有类似的地方。
1.什么是结合能


2.什么是比结合能 它有何意义


3.什么是质量亏损 质量亏损Δm与能量变化ΔE之间有什么关系



4.原子核的比结合能与原子核的大小有什么关系 人们因此想到了怎样的释放结合能的方法



1.结合能
(1)原子核是核子凭借核力结合在一起的,把核子再分开,需要能量,这就是原子核的　　　　能。
(2)原子核的结合能与　　　　之比,称作比结合能,比结合能越大,原子核中的核子结合得越　　　　,原子核就越　　　　。
2.质量亏损
(1)爱因斯坦的质能方程E=　　　　。
(2)原子核的质量　　　　组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。
(3)中等大小的原子核的比结合能最大,如果使较重的原子核分裂成中等大小的原子核,或者把较小的原子核合并成较大的原子核,核子的比结合能都会　　　　,即核子将发生新的　　　　,释放新的结合能。
问题讨论
认真观察如图所示的比结合能随质量数A变化的关系,找到原子序数为多少的原子具有相对较大的比结合能。



应用1　与结合能相关的计算
在一次核反应中,U变成Xe和Sr时,要释放出若干中子。U的平均结合能约为7.6 MeV,Xe 的平均结合能约为8.4 MeV,Sr的平均结合能约为8.7 MeV,问:
(1)把U分解为核子时,要吸收多少能量
(2)使相应的核子分别结合成Xe和Sr时,要释放出多少能量
(3)在这个核反应中是吸收还是放出能量 这个能量大约是多少




归纳总结
1.结合能与比结合能:
结合能是原子核拆解成核子吸收的能量,而比结合能是原子核拆解成核子时平均每个核子吸收的能量。
2.比结合能与原子核稳定的关系:
(1)比结合能的大小能够反映原子核的稳定程度,比结合能越大,原子核就越难拆开,表示该原子核就越稳定。
(2)核子数较小的轻核与核子数较大的重核,比结合能都比较小,表示原子核不太稳定;中等核子数的原子核,比结合能较大,表示原子核较稳定。
(3)当比结合能较小的原子核转化成比结合能较大的原子核时,就可能释放核能。例如,一个核子数较大的重核分裂成两个核子数小一些的核,或者两个核子数很小的轻核结合成一个核子数大一些的核,都能释放出巨大的核能。
应用2　质量亏损与核能的计算
(多选)太阳中有一种反应是4个氢核H)结合成1个氦核同时放出2个正电子。下表中列出了部分粒子的质量(取1 u=1.66×10-27 kg):
粒子名称 质子 α粒子 正电子 中子
质量/u 1.007 3 4.001 5 0.000 55 1.008 7
以下说法正确的是 (　　)
A.该核反应方程为HHe+e
B.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为0.026 6 kg
C.4个氢核结合成1个氦核时的质量亏损约为4.42×10-29 kg
D.该反应过程中释放的能量约为4.0×10-12 J
(1)正电子的符号是怎样的
(2)怎么计算反应过程中释放的能量


应用3　核反应能量变化的判断
(多选)原子核的核子平均质量与原子序数Z的关系图像如图所示。下列说法正确的是 (　　)
A.若D、E能结合成F,结合过程一定要释放能量
B.若D、E能结合成F,结合过程一定要吸收能量
C.若A能分裂成B、C,分裂过程一定要释放能量
D.若A能分裂成B、C,分裂过程一定要吸收能量
核反应是释放还是吸收能量有如下两种判断方法:
(1)根据反应前后的质量变化
质量亏损——释放能量;
质量增加——吸收能量。
(2)根据反应前后的比结合能的变化
比结合能变大——释放能量;
比结合能变小——吸收能量。
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)关于原子核,下列说法正确的是 (　　)
A.所有原子核的质子数和中子数都是相等的
B.所有原子核的质子数和中子数都是不相等的
C.原子核的中子数一定不小于质子数
D.有的原子核的中子数小于质子数
2.(任务2)核电池又叫“放射性同位素电池”,一个硬币大小的核电池,就可以让手机不充电使用5 000 年。钚Pu)是一种人造同位素,可通过下列反应合成:
(1)用氘核H)轰击铀U)生成镎Np)和两个相同的粒子X,核反应方程是　　 　　。
(2)镎Np)放出一个粒子Y后转变成钚Pu),核反应方程是　　 　　。
3.(任务3)(多选)对于核力,以下说法正确的是 (　　)
A.核力是弱相互作用力,作用力很小
B.核力是强相互作用的表现,是强力
C.核子之间的距离小于0.5×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起
D.核力是万有引力的一种
4.(任务4) 用质子轰击锂核Li)生成两个α粒子,以此进行有名的验证爱因斯坦质能方程的
实验。已知质子的初动能是0.6 MeV,质子、α粒子和锂核的质量分别是1.007 3 u、4.001 5 u和7.016 0 u。已知1 u相当于931.5 MeV的能量,下列叙述正确的是 (　　)
A.此反应过程质量减少了0.010 3 u
B.若生成的两个α粒子的动能之和约为18.3 MeV,与质能方程相符
C.若核反应中释放的能量约为18.9 MeV,与质能方程不相符
D.若生成的两个α粒子的动能之和约为19.5 MeV,与质能方程相符
参考答案
自主预习·悟新知
思考1:结合能不是原子核具有的能量,而是为了把核子分开而需要的能量。
思考2:根据质能方程可知核反应中释放的能量为(m1-m2-m3)c2。
判断　(1)×　(2)√　(3)×　(4)√　(5)×
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.卢瑟福用α粒子轰击氮核时,发现了一种新粒子,这种粒子带有一个单位的正电荷,其质量与氢原子的质量相近。随后人们又用类似的方法从氟、钠、铝等原子核中打出了同样的粒子(质子)。质子是原子核的组成部分。如果原子核只是由质子组成,它的电荷数应该与质量数相等。这和绝大多数原子核的电荷数只是质量数的一半或者还少一些的事实相矛盾,说明猜测错误。卢瑟福猜测:原子核内还应该存在着质量跟质子差不多的不带电的中性粒子,即中子。卢瑟福的学生查德威克在研究用射线轰击铍而产生的一种能量极高、贯穿能力很强的中性粒子时,证实中性粒子的质量与质子的质量近似相等,就是猜测的中子。
2.卢瑟福用α粒子轰击氮核,打出了质子,说明质子是原子核的组成部分;后来查德威克用α粒子轰击铍,发现了中子,说明中子也是原子核的组成部分。所以原子核是由质子和中子构成的,质子带正电,中子不带电,质子和中子的质量十分接近,质子和中子又统称为核子。用符号X表示原子核,X表示元素符号,A表示核的质量数,Z表示核电荷数。
知识生成　①质子　②核子　③质子　④核的质量数
应用探究
例1　CD　【解析】根据原子核的表示方法可知质子数为83,质量数为210,故中子数为210-83=127个,而质子和中子统称核子,故核子数为210个,C、D两项正确;由于不知道原子是否呈电中性,就不能判断核外电子数,A、B两项错误。
任务2
问题引领
1.原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程叫核反应,也叫原子核的人工转变。用一些微观粒子,如质子、中子、α粒子甚至γ光子等,可使一些原子核实现转变。衰变是指原子核自发放出射线,变成新的原子核。
2.核反应方程和衰变方程一样,也遵循两个守恒,质量数守恒和电荷数守恒。
知识生成　⑤质量数　⑥电荷数　OH　⑧卢瑟福
应用探究
例2　【提示】书写核反应方程的重要原则:(1)质量数守恒和电荷数守恒。(2)反应前后用箭头连接,不能写成等号。(3)核反应必须是实验中能够发生的。(4)核反应前后相同的核不能消掉。
【解答】根据质量数守恒和电荷数守恒,算出新生核的电荷数和质量数,然后写出上述核反应方程。
(1BeHBn
(2)HgnPtHe
HgnPt+Hn
PtAueAuHge
例3　【提示】质子被原子核俘获的过程相当于碰撞过程,遵循动量守恒定律。
【答案】AD
【解析】核反应方程为AlHSi,由动量守恒定律得mv=28mv',解得v'=5×105 m/s,A、D两项正确。
任务3
问题引领
1.人们想到原子核内核子之间有万有引力和电磁力,但电磁力比万有引力大得多,不可能抗衡质子之间的库仑斥力,那么又是什么力维持原子核的稳定呢 因此科学家猜想,核子间有核力把核子紧紧地束缚在核内,维持了原子核的稳定。
2.核力有两个特征:第一,核力是强相互作用的一种表现,在原子核范围内,核力远大于库仑力;第二,核力是短程力,作用范围在2×10-15 m之内(在大于2×10-15 m的距离核力迅速减小为零)。
3.自然界中有四种基本相互作用,分别是万有引力、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。
知识生成　⑨强相互作用　⑩大得多　2×10-15　引　斥　β衰变　万有引力　电磁相互作用
应用探究
例4　D　【解析】重力是由于物体受地球吸引而产生的,属于万有引力相互作用。弹力和摩擦力从其产生机理上说是物质内部原子的吸引和排斥,属于电磁相互作用,所以D项正确。
任务4
问题引领
1.由于核子间存在着强大的核力,原子核是一个坚固的集合体。要把原子核拆散成核子,需要克服核力做巨大的功,或者说需要巨大的能量。把原子核分开成核子要吸收能量,这个能量叫作原子核的结合能。
2.结合能与核子数之比,称作比结合能,也叫平均结合能。比结合能越大意味着分开核子平均需要提供的能量越多,表示原子核中核子结合得越牢固,原子核越稳定。
3.原子核的质量小于组成它的核子的质量之和,这个现象叫作质量亏损。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2可知ΔE=Δmc2。
4.中等大小的原子核的比结合能最大,随着原子核的增大或减小,其比结合能都减小。人们因此想到,如果使较大的原子核分裂为中等的原子核,或把较小的原子核合并成较大的原子核,都会使其比结合能增大,即发生质量亏损,释放新的结合能。
知识生成　结合　核子数　牢固　稳定　mc2　小于　增加　质量亏损
应用探究
活动　原子序数在40~80之间的原子比结合能较大。
例5　【解答】(1)把U分解为核子时要吸收的能量E1=235×7.6 MeV=1 786 MeV。
(2)核子结合成Xe释放出的能量E2=136×8.4 MeV=1 142.4 MeV
核子结合成Sr释放出的能量E3=90×8.7 MeV=783 MeV。
(3)在这个核反应中放出的能量
E'=E2+E3=1 925.4 MeV
由于E'>E1,所以这个核反应放出能量,放出的能量
ΔE=E'-E1=139.4 MeV。
例6　【提示】(1e。(2)先计算出质量亏损,再根据ΔE=Δmc2计算核能。
【答案】ACD
【解析】由核反应的质量数守恒及电荷数守恒,得核反应方程为HHe+e,A项正确;反应中的质量亏损Δm=4mp-mα-2me=(4×1.007 3-4.001 5-2×0.000 55) u=0.026 6 u≈4.42×10-29 kg,B项错误,C项正确;由质能方程得ΔE=Δmc2=4.42×1×(3×108)2 J ≈4.0×1 J,D项正确。
例7　AC　【解析】由图可知,F原子核的核子的平均质量小,则原子序数较小的核D、E结合成原子序数较大的核F时,因F的核子的平均质量小于D、E核子的平均质量,故出现质量亏损,由质能方程知,该过程一定要放出能量,A项正确,B项错误;因为B、C的核子的平均质量小于A核子的平均质量,故A分裂成B、C的过程一定要释放能量,C项正确,D项错误。
随堂检测·精评价
1.D　【解析】原子核的中子数可能大于、等于或小于质子数,D项说法正确。
2.(1HUNp+n　(2NpPu+e
【解析】(1)由电荷数和质量数守恒知X的电荷数为0,质量数为1,则X为n。
(2)同理可知Y为e。
3.BC　【解析】核力是强相互作用的一种表现,不属于万有引力,它的作用范围在2×10-15 m之内,核力比库仑力大得多,因此B项正确,A、D两项错误。核力在0.5×10-15 m~2×10-15 m之间时表现为引力,且随距离增大而减小;在距离小于0.5×10-15 m时,核力表现为斥力,因此核子不会融合在一起,C项正确。
4.D　【解析】根据题意可知该反应的核反应方程式HLiHe,核反应前后的质量亏损Δm=1.007 3 u+7.016 0 u-2×4.001 5 u=0.020 3 u,A项错误。生成的两个α粒子的动能之和Ek=ΔE+Ek0=0.020 3×931.5 MeV+0.6 MeV=19.509 45 MeV,B项错误,D项正确。核反应中释放的能量ΔE=Δmc2=18.909 45 MeV,C项错误。

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